Сотовая связь стандарта CDMA

Сотовая связь стандарта CDMA Недавно я получил письмо от читателя "Компьютерной Газеты" Дмитрия Кузьмина. В письме Дмитрий посоветовал мне написать статью о стандарте сотовой связи CDMA, аргументируя это тем, что за этой технологией будущее. В этом я полностью согласен с Дмитрием, поэтому хочу поблагодарить его за тему, которая и легла в название этой статьи, продолжив тем самым цикл моих предыдущих статей, посвященных сотовой связи (КГ №38-39 за 2000 год, "Кое-что о сотовой связи и сотовых телефонах"; КГ №1(2001 г.), "Сотовая связь стандарта NMT и ее возможности").

разу хочу отметить тот факт, что операторов, работающих в стандарте CDMA, у нас в Беларуси нет, однако это временное явление, поэтому информация об этом стандарте не будет лишней для читателя.

Стандарт CDMA (Code Division Multiple Access - множественный доступ с кодовым разделением) по происхождению американский, хотя и получил первоначально наиболее широкое распространение в Южной Корее. У истоков этого стандарта стояла компания Qualcomm. Метод множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA) использовался ранее в военных приложениях, в частности, в спутниковой связи, и компания Qualcomm принимала активное участие в соответствующих разработках. Стандарт CDMA очень тесно конкурировал со стандартом DAMPS (Digital Advanced Mobile Phone Service - цифровая усовершенствованная мобильная телефонная служба). CDMA претендовал на нишу цифровой системы сотовой связи диапазона 800 МГц в США, но уступил ее стандарту DAMPS, который использует метод множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA - Time Division Multiple Access). Причинами тому послужили большая сложность CDMA по сравнению с TDMA, меньшая степень преемственности по отношению к AMPS (Advanced Mobile Phone Service), а также отставание по срокам готовности к реализации на два-три года. Однако стандарт CDMA появился и настойчиво отвоевывает свое место на рынке, хотя ситуация с ним несколько противоречива.

В течение 1989 - 1990 гг. были определены основные технические решения стандарта, в 1991 - 1992 гг. проведены полевые испытания. В 1990 г. были сформулированы основные положения стандарта, первая версия которого была выпущена в 1993 г. под наименованием IS-95; впоследствии она была уточнена и перевыпущена: EIA/TIA Intertim Standard IS-95-A: mobile station - base station compatibility standard for dual-mode wideband spread spectrum cellular system (1995) - стандарт, определяющий правила совместной работы подвижных и базовых станций широкополосной системы сотовой связи с расширением спектра. После выпуска стандарта IS-95 это наименование часто используется как синоним стандарта CDMA.

Стандарт CDMA имеет диапазон 800 МГц. Он совместим с аналоговым AMPS, и все аппараты CDMA-800 поддерживают AMPS, но это совмещение реализуется иначе, чем для комбинации AMPS/DAMPS. Рабочая полоса частотного канала CDMA составляет 1,23 Мгц, так что при замене системы AMPS системой CDMA группа частотных каналов первого замещается одним частотным каналом второго, а всего в пределах одного блока размещается 10 частотных каналов CDMA.

Коммерческое использование стандарта CDMA-800 началось в 1995 г. На начало 2000 г. общее число его абонентов в мире составляло около 50 миллионов, из них более 20 миллионов - в Южной Корее. Практически одновременно с вводом CDMA-800 в конце 1995 г., в США началось коммерческое использование стандарта в диапазоне 1900 МГц. Стандарт CDMA имеет свою международную ассоциацию - Группу развития стандарта CDMA (CDMA Development Group - CDG), образованную в 1995 г. и объединяющую 101 компанию - производителей аппаратуры и операторов стандарта IS-95.

Стандарт CDMA, как и другие современные стандарты сотовой связи, продолжает развиваться, в частности, в направлениях повышения качества передачи информации и ввода новых видов услуг. С 1997 г. начал использоваться усовершенствованный кодер речи с увеличенной до 13 Кбит/с частотой кодирования. В том же 1997 г. начата разработка экспериментальной системы мобильной связи третьего поколения на основе широкополосной системы CDMA.

Под малопонятным названием множественный доступ (multiple access) скрывается технически необходимое и по-житейски почти очевидное дело: рациональная организация одновременной работы нескольких пользователей в ограниченном участке спектра. В сотовой связи используются три метода множественного доступа:

1) множественный доступ с частотным разделением каналов связи (frequency division multiple access - FDMA);

2) множественный доступ с временным разделением каналов связи (time division multiple access - TDMA);

3) множественный доступ с кодовым разделением каналов связи (code division multiple access - CDMA).

Так как тема данной статьи именно стандарт CDMA, то я рассмотрю лишь этот вид множественного доступа. Этот метод наиболее сложный, но во многих отношениях и наиболее совершенный. Здесь одновременно несколько пользователей (до 40) используют общую сравнительно широкую (порядка 1 МГц) полосу частот, что достигается применением специальных методов кодирования информации. Принцип повторного использования частот в методе CDMA принимает тривиально простую форму: во всех ячейках, включая смежные, используются одни и те же полосы частот, так что задача составления частотного плана даже не возникает. К сожалению, технически метод CDMA действительно довольно сложен, и пояснить его принципы хотя бы в какой-то степени более подробно в данном контексте не представляется возможным. Но я попробую разъяснить, какой из методов множественного доступа более выгоден и перспективен.

Метод FDMA наименее эффективен в отношении использования частотного ресурса. Однако, это единственный метод, который из-за своей простоты используется во всех аналоговых стандартах - NMT, AMPS, TACS. Поэтому только аналоговыми стандартами область его применения и ограничивается. Методы TDMA и CDMA требуют цифровой реализации и обеспечивают более эффективное использование полосы частот по сравнению с FDMA. По эффективности использования спектра и ряду других характеристик CDMA немного лучше TDMA. Однако метод CDMA технически сложнее. В системах сотовой связи множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA) применяется уникальное цифровое кодирование. Коды передаются от базовой станции на мобильный телефон и обратно. В цифровых системах второго поколения преимущественно используется метод TDMA (стандарты DAMPS, GSM, PDC). В системах третьего поколения, напротив, уже не вызывает сомнения преимущественное использование CDMA.

Для обеспечения успешной работы систем сотовой связи на основе CDMA требуется высокий уровень синхронизации базовых станций. Основным источником, обеспечивающим такую синхронизацию, является спутниковая сеть Глобальной системы навигации (Global Positioning System - GPS), которая покрывает всю территорию земного шара, а потому является доступным в любое время средством для определения времени и местонахождения объекта. При потере синхронизации базовых станций в системе CDMA предусмотрены альтернативные способы ее восстановления. Например, это можно сделать с помощью системы радионавигации Long Range Navigation_C (LORAN_C), где используются низкочастотные радиоволны, огибающие поверхность Земли и не зависящие от помех в ионосфере, или подключив к системе сотовой связи высокостабильный опорный генератор. Последний хоть и не обеспечивает истинной синхронизации системы в реальном времени, однако его можно использовать как резервный источник синхронизации в случае временного отсутствия доступа к GPS.

Стандарт CDMA внес ряд своих улучшений в сотовую связь. Примером может служить улучшение покрытия площадей. Размер соты системы CDMA больше размера типичной ячейки аналоговой системы или системы TDMA, поэтому для покрытия одной и той же площади в системе CDMA требуется меньше сот. В зависимости от загрузки системы и уровня помех их количество может быть снижено в два раза по сравнению с системами GSM. Кроме этого, точное управление уровнем сигнала приводит к тому, что мощность излучения мобильного телефона системы CDMA составляет лишь некоторую часть мощности телефонных аппаратов аналоговых систем и систем TDMA, поэтому такие телефоны имеют большее время разговора и ожидания вызова.

По характеристикам качества передачи речи параметры CDMA сопоставимы с качеством проводных каналов. Поскольку по каналам CDMA передается не только голос, но и любая другая информация, особую ценность имеет отсутствие в ней помех. Если рядовой пользователь, по большому счету, безразличен к тому, звучит его голос при телефонном разговоре с безупречной чистотой или с небольшими помехами, то ошибки, допущенные при передаче файлов, могут нарушить целостность, например, корпоративной базы данных. Применяемый "код" служит не только для идентификации разговора того или иного пользователя, но и является одновременно своеобразным фильтром, устраняющим искажения и фоновые помехи. Встроенный алгоритм кодирования обеспечивает высокую степень конфиденциальности, обеспечивая защиту от несанкционированного доступа и прослушивания.

Система CDMA обеспечивает меньшую задержку в передаче голосового сообщения, чем другие системы подвижной связи. При использовании CDMA не приходится применять изощренные средства для подавления эхо-сигнала. Совершенный метод коррекции ошибок позволяет эффективно бороться с многолучевым распространением сигнала. Это свойство дает дополнительные преимущества CDMA в условиях городов с высотными застройками. Абонент не хочет оставаться без связи при пересылке факса, когда телефон длительное время занят. CDMA предоставляет дополнительный сервис, обеспечивая одновременную передачу голоса и факса по одному каналу. В технологии CDMA реализованы оригинальные алгоритмы упаковки данных для большей скорости их передачи.

Отличительными характеристиками системы CDMA являются усовершенствованные функции обнаружения и коррекции ошибок, поддержка более совершенных вокодеров, пространственное разнесение приемных антенн, "мягкая" передача абонентского терминала (handover) и точное управление мощностью передаваемого сигнала. Все это обеспечивает более высокое качество передачи речи, чем в системах TDMA или FDMA.

Усовершенствованные функции обнаружения и коррекции ошибок. В системе CDMA применяются мощные и совершенные алгоритмы обнаружения и коррекции ошибок. В случае обнаружения искаженных речевых данных последние исправляются либо данные обрабатываются таким образом, что эти искажения становятся минимальными.

Поддержка высококачественных вокодеров. Одним из уникальных достоинств стандарта CDMA стала одновременная поддержка многочисленных высококачественных вокодеров внутри системы. Для сравнения отмечу, что в системах TDMA такой поддержки нет. Новыми вокодерами для систем CDMA являются следующие: вокодер с генерацией кода и линейным предсказанием (Code Excited Linear Predictive - CELP), работающий на скорости 13 Кбит/с, и усовершенствованный вокодер с переменной скоростью (Enhanced Variable Rate Vocoder - EVRC), работающий на скорости 8 Кбит/с. Они обеспечивают лучшее качество передачи речи, чем используемый в настоящее время вокодер CDMA на 8 Кбит/с. Однако использование вокодеров на этой скорости отрицательно влияет как на пропускную способность системы, так и на площадь, которую она обслуживает, - она уменьшается. Снижение пропускной способности можно свести к минимуму и даже совсем устранить, если в перегруженных сотовых ячейках применять вокодеры, работающие на скорости 8 Кбит/с.

Помехоустойчивость и борьба с замираниями. При использовании радиосигналов сталкиваются с наличием замираний принимаемого сигнала, вызванных его многолучевым распространением. Системы, базирующиеся на технологии TDMA, и аналоговые системы особенно подвержены этому, поскольку они являются узкополосными системами передачи. Главным же преимуществом использования широкополосных шумоподобных сигналов является то, что они дают возможность разделить пришедший радиосигнал на отдельные лучи-сигналы. Реализацию этого преимущества можно увидеть на примере приемной системы Rake (переводится как "грабли"). Название связано с тем, что на выходе коррелятора системы сигнал принимает вид серии узких пиков, которые для обеспечения более эффективного приема сигнала при дальнейшей обработке суммируются, образуя один пик.

Широкополосный сигнал CDMA также подвержен частотно-селективному замиранию. В качестве примера рассмотрим, что произойдет при частотно-селективном замирании глубиной 12 дБ в полосе частот 400 кГц. Для сигнала CDMA с шириной полосы 1,23 МГц действие этого замирания распространяется на 1/3 всей полосы сигнала. Поскольку энергия речевого сигнала, передаваемого по телефону, распределяется по всей ширине его полосы, то воздействие замирания рассматривается как среднее значение, и проявляется оно в общем снижении уровня сигнала приблизительно на 2 дБ. Если то же самое замирание глубиной 12 дБ в полосе частот 400 кГц приходится на пик спектральной плотности узкополосного сигнала шириной 30 кГц (такую ширину имеет радиосигнал некоторых аналоговых систем), тогда это замирание будет воздействовать на весь сигнал в этой полосе. В результате уровень сигнала снизится на 12 дБ. Этот "удар" по сигналу куда серьезнее: он может привести к значительному ухудшению качества передачи речи или даже к срыву вызова. Благодаря частотной избыточности системы CDMA могут успешно работать при наличии в их полосе обычных узкополосных радиостанций. В этом случае оператор или система вырезают пораженные участки спектра. При таком воздействии помехоустойчивость системы CDMA снижается пропорционально ширине полосы. Отмечу, если узкополосное устройство подавления действует на той же частоте, что и полезный сигнал системы TDMA или FDMA, и имеет достаточную мощность, оно может подавить информационный сигнал полностью.

Пространственное разнесение двух приемных антенн. Принцип пространственного разнесения базируется на том, что распределение уровня сигнала при движении абонента состоит из пиковых и нулевых значений. Когда одно из этих нулевых значений приходится на одну антенну, то уровень принятого сигнала снижается. Однако если вторая антенна размещена на некотором расстоянии, то она может оказаться вне зоны нулевого уровня сигнала и будет принимать сигнал допустимого уровня.

"Мягкая" передача трубки. Все аналоговые сотовые системы или сотовые системы TDMA используют "жесткую" передачу абонентского терминала. При такой передаче аппарат абонента теряет канал до того, как будет занят следующий. По технологии CDMA используется "мягкая" передача абонентского терминала. За телефоном абонента непрерывно следят две или три базовые станции. Схема транскодера CDMA такова, что позволяет сравнивать качество сигналов от двух приемников базовых станций и захватывать лучший. Режим "мягкой" передачи трубки устраняет короткие перерывы в передаче речи, которые часто случаются в сетях сотовой связи технологий FDMA и TDMA при переходе от одной базовой станции к другой. В этих сетях происходит "конкурентная борьба" за сигнал, и когда Сота В "побеждает" Соту А, абонент последней теряется - происходит так называемая "жесткая" передача трубки.

Как и у каждого стандарта сотовой связи, в системе CDMA присутствуют дополнительные службы. Далее я опишу наиболее популярные из них.

Служба коротких сообщений CDMA (SMS). Эта служба обеспечивает обмен буквенно-цифровыми сообщениями (вызов абонента и т.д.) через инфраструктуру CDMA. Сообщения могут исходить либо от сети, либо с телефона абонента. Последний может быть телефоном для передачи речи, терминалом для передачи данных или специализированной системой для ввода коротких сообщений.

Активация по радиоканалу. Эта функция дает возможность потенциальным абонентам сотовых сетей связи активировать телефон абонента без вмешательства третьей стороны, например авторизованного дилера. Одной из главных целей активации по радиоканалу является предоставление аппарату абонента безопасного ключа, облегчающего процесс аутентификации. Другим возможным применением активации по радиоканалу может быть автоматическое обновление информации о роуминге, обеспечивающее пользователям легкий доступ к системам CDMA по всему миру.

Передача данных и факсимильных сообщений в CDMA. В системе CDMA поддерживается одновременная передача речи и данных. Два цифровых потока информации мультиплексируются на покадровой основе, причем речь имеет приоритет над данными, что позволяет поддерживать надлежащее качество ее передачи. Достоверность передачи данных, обеспечиваемая технологией CDMA, выше, чем в аналоговых системах или системах TDMA. Одной из отличительных особенностей передачи данных по технологии CDMA является применение двух протоколов для коррекции и передачи сигнала: радиолинии (Radio Linк Protoсol - RLP) и управления передачей (Transmission Control Protocol - TCP). Это значительно повышает безошибочность работы системы. Использование технологии CDMA для передачи данных обеспечивает абоненту значительно более высокую мобильность по сравнению с аналоговыми системами. Испытания с участием поставщиков абонентского оборудования показали, что абонент может позвонить по телефону из того же места, откуда посылает факс, выйти в сеть Интернет и т.д.

В будущем системы CDMA смогут поддерживать синхронные и асинхронные службы передачи данных. Модем в этой системе будет находиться не в аппарате абонента, а в сети. Это обеспечивает прямую цифровую связь через радиоканал, устраняя необходимость преобразовывать цифровой сигнал в аналоговый и обратно. При таком подходе к построению сети сотовой связи любой абонент ее обеспечивается "прозрачной" связью с модемом стационарной линии. При этом модем пользователя этой линии может работать с любой существующей техникой модуляции V-серии. Управление потоком информации является составной частью системы CDMA, поэтому скорость передачи по радиоканалу отличается от скорости стационарной линии. Например, для уменьшения задержки скорость передачи данных по радиоканалу может быть выше скорости стационарной линии. И наоборот, чтобы поддерживать больше пользователей, имеющих одновременные запросы для передачи данных, скорость передачи по радиоканалу может быть ниже скорости стационарной линии.

Служба пакетной передачи данных. Пакетная передача данных обеспечивает абонентам возможность непосредственного подключения к сети Интернет и другим сетям. Последнее будет устанавливаться через IP-адреса, которые посылаются как часть сообщения с пакетными данными. Во многих случаях для этого типа соединений не требуется никакого взаимодействия модемов. Одно из главных достоинств пакетного режима передачи данных - это возможность аппарата абонента связываться со множеством точек во время одного и того же сеанса. Другое преимущество заключается в том, что радиочастотные ресурсы сети не заняты, когда аппарат абонента не передает никаких пакетов, - таким образом, они становятся доступными другим пользователям. На больших скоростях, т.е. превышающих 14,4 Кбит/с, пакетная передача данных будет более эффективной, чем коммутация каналов (передача речи одним абонентом). Это возможно за счет разделения спектрального диапазона между большим числом пользователей. Пакетный режим передачи данных и передача данных по коммутируемым линиям дополняют друг друга.

Приложения режима пакетной передачи данных будут поддерживать переключения с передачи речи на передачу данных. Это означает, что во время вызова в таком режиме абонент может отменить поступление входящего речевого вызова и решить, следует ему продолжать пакетную связь или можно принять речевой вызов.

В завершении этой статьи хочу подытожить все выше сказанное. CDMA является цифровой технологией, открывающей двери в новое поколение услуг и средств беспроводной передачи данных. Используя цифровое кодирование и "широкий спектр" радиочастотных технологий, CDMA обеспечивает более высокое качество голосовой связи, лучшую секретность информации, более высокую пропускную способность системы и гибкость, по сравнению с другими технологиями беспроводной связи, а также предоставляет широкий диапазон передовых услуг, таких как обмен оперативными сообщениями, электронная почта и доступ в Интернет. Евгений Сечко, safeman@mail.ru (c) компьютерная газета